باتری های یون روی آبی (AZIBs) اخیراً به عنوان دستگاه های ذخیره سازی انرژی نسل بعدی مورد توجه قرار گرفته‌اند. با این حال، کاربرد های عملی باتری های یون روی آبی به دلیل اشکالات ذاتی آنها، مانند ایجاد غیرقابل کنترل دندریت‌های روی و واکنش‌های جانبی شدید، به‌طور قابل توجهی با مشکل مواجه می‌شوند.
مطالعه اخیر منتشر شده در مجله ACS Sustainable Chemistry & Engineering با ساخت یک آند روی قابل اعتماد از یک لایه محافظ سازگار ساخته شده از نانوالیاف کربن رسانا اصلاح شده توسط مواد روی دوست از نانوذرات مس، به این مشکل پرداخته است.
باتری های روی یون آبی (AZIBs): بررسی اجمالی و چالش‌ها
باتری ها و سایر سیستم های ذخیره‌سازی انرژی به طور گسترده برای بسیاری از کاربردهای صنعتی در دهه گذشته مورد استفاده قرار گرفته‌اند. باتری های یون روی آبی (AZIBs) ساخته شده از مواد روی دوست به عنوان یک فناوری ذخیره انرژی جذاب در نظر گرفته می شوند.
با این حال، دندریت روی، واکنش تبدیل هیدروژن، و پتانسیل اکسیداسیون بالای آند روی مانع از کاربردهای عملی AZIB ها می شود. فعالیت الکتروکاتالیستی آندهای فلز روی ساخته شده از مواد روی دوست مناسب را می توان از طریق چندین تکنیک افزایش داد. اینها شامل طراحی ساختارهای سه بعدی، لایه های رابط مصنوعی و مهندسی الکترولیت است.
در مقایسه با سطح الکترود آند لیتیوم، یک لایه محافظ سطحی روی آند روی می‌تواند با کاهش تعامل سطحی بین الکترود و الکترولیت، جلوگیری از اکسیداسیون روی و هدایت رسوب یکنواخت روی به محافظت از الکترود باتری های یون روی آبی کمک کند.
نانوالیاف کربن برای افزایش عملکرد AZIB ها
لایه‌های پوششی گزارش‌شده در حال حاضر برای آندهای روی را می‌توان به چهار دسته تقسیم کرد: چارچوب‌های فلزی-آلی، لایه‌های پوشش معدنی، پوشش‌های پلیمری و اجزای مبتنی بر کربن مانند نانوالیاف کربن.
نانوالیاف کربنی به دلیل پایداری شیمیایی عالی، رسانایی الکتریکی بالا و سطح ویژه بزرگ (SSA) می توانند بارها را به طور یکنواخت پراکنده کرده و آندهای روی را در AZIB ها تنظیم کنند. یون‌های روی در AZIBها در طول مرحله هسته‌زایی اولیه روی موادی با شبکه کریستالی یکسان قرار می‌گیرند.
با این حال، عملکرد ناهماهنگی کم شبکه، کریستال شدن همگن روی سطح نانوالیاف کربن را برای یون‌های روی بسیار دشوار می‌کند و به ناچار منجر به ایجاد دندریت می‌شود.
بسیاری از مطالعات قبلی با موفقیت نشان داده اند که مواد روی دوست مانند نانوذرات مس می توانند برای اصلاح نانوالیاف کربن برای رسوب یکنواخت یون های فلزی بر روی آند روی استفاده شوند. بنابراین، استفاده از نانوالیاف کربنی با مواد روی دوست با توزیع بالا از نانوذرات مس، مسیری مناسب برای جلوگیری از رشد دندریت‌های روی در AZIB است.
نکات برجسته مطالعه فعلی
در این مطالعه، محققان نانوالیاف کربنی سازگار اصلاح شده با نانوذرات مس را به عنوان یک لایه پوشش محافظ برای تنظیم آندهای روی با استفاده از تکنیک الکتروریسی مستقیم ایجاد کردند. در این کار از نانوذرات مس به دلیل بلورینگی قابل توجه به عنوان مواد روی دوست مناسب استفاده شد.
همراه با کاهش چگالی جریان محلی، لایه پوشش متخلخل نانوالیاف کربنی با سطح ویژه بالا (SSA) همچنین می‌تواند پراکندگی میدان‌های الکترومغناطیسی را تغییر دهد.
ساختار کریستالی نانوالیاف کربنی با استفاده از پراش سنج پرتو ایکس پیشرفته ارزیابی شد. خواص سطحی مواد با استفاده از طیف سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس ارزیابی شد. باندهای جذبی با استفاده از طیف‌سنجی رامان و طیف‌سنج مادون قرمز تبدیل فوریه تعیین شدند. یک میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) برای تجزیه و تحلیل مورفولوژی سطح و پراکندگی عنصر نانوالیاف کربن و نانوذرات مس استفاده شد.
یافته های مهم تحقیق
ایجاد دندریت روی با موفقیت توسط یک لایه پوشش محافظ از نانوالیاف کربن اصلاح شده با نانوذرات مس مهار شد. این امر را می توان به نانوذرات مس بسیار ریز و SSAهای قابل توجه نانوالیاف کربنی نسبت داد که باعث کاهش چگالی توان محلی و یک مکان هسته در حال گسترش برای یون های روی می شود.
علاوه بر این، محاسبات تئوری تابعی چگالی (DFT) نشان داد که مواد روی دوست نانوذرات مس دارای کارایی جذب قابل‌توجهی برای یون‌های روی هستند و آندهای روی AZIB را تثبیت می‌کنند.
بر اساس این یافته ها، می توان نتیجه گرفت که لایه پوششی ساخته شده از نانوالیاف کربن و اصلاح شده با نانوذرات مس توسعه یافته در این مطالعه می تواند در بهبود پایداری آند روی و ارتقای کاربردهای AZIB در دنیای واقعی اهمیت زیادی داشته باشد. .
